Способ повышения эффективностиви бросейсмической технологии при исследовании земной коры и строения вулканов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 530.4 С.А. Ефимов

ИВМ и МГ СО РАН, Новосибирск

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИВИ БРОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ И СТРОЕНИЯ ВУЛКАНОВ1

«Жизнь» вулканов привлекает внимание геофизиков как частное явление общей эволюции литосферы Земли. Поскольку «живые» вулканы представляют собой фактор разрушения инфраструктуры жизнеобеспечения этноса прилегающих территорий, то очевидна актуальность исследований и разработки новых методов контроля и прогноза эволюции «жизни» вулканов. По инициативе доктора Глинского Б.М., руководителя гранта РФФИ № 03-0565292, в ИВМ и МГ СО РАН разрабатываются теоретические, методические и экспериментальные основы сейсмического мониторинга магматических структур вулканов с применением вибросейсмической технологии, т.е. с применением контролируемых источников сейсмических волн (мощных вибраторов). Структура вулкана, как объект исследования вибросейсмическими методами, имеет особенности по сравнению с исследованием структуры литосферы Земли: пространственные размеры вулкана меньше. Это определяет повышенные требования к разрешению на сейсмической фотографии вулкана (виброграмме) близкорасположенных отраженных сейсмических волн. Задача разделения этих волн является более сложной по сравнению с аналогичной задачей при исследовании литосферы Земли. При исследовании эволюции земной поверхности и вулканов существует так же задача повышения скорости обработки данных. В совокупности эти задачи инициируют поиск новых подходов и методов для обработки данных экспериментов, направленных на изучение геологических структур.

В работе [1] предложен нетрадиционный подход при обработке сигналов, основанный на использовании функционального квантования по времени. В работе [2] показана возможность использования данного подхода для повышения контрастности виброграммы. В данной работе использован данный подход для повышения скорости обработки данных и формирования нетрадиционных алгоритмов вычислений.

ТРАДИЦИОННЫЙ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВИБРОГРАММЫ Технология вибросейсмического зондирования использует для формирования вибрационной сейсмограммы (виброграммы) зондирующий сигнал следующего вида:

б(1) = A(t) • соб(щ • t + у(1));

2 (1)

\y(t) = 0,5•«• t ; t = 0..Т0;

1 Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 03-05-65292

где А- огибающая сигнала; о0- начальная частота; а- скорость изменения частоты; Т0 - время излучения зондирующего сигнала.

В точке регистрации формируется сейсмограмма в виде сумму сигналов $ (0, имеющих разное время прихода т1. Поскольку величины временных задержек Т{. значительно меньше времени излучения зондирующего сигнала Т , то в полученной сейсмограмме не выделены признаки времен вступления волн. Для их выделения и формирования виброграммы используется согласованный фильтр [3], реализующий процедуру свертки между х(^ и б^). Для сигнала ^ автокорреляционная функция имеет вид:

W(t -Гі) = -o

T s,n( Лю-(<-гi))

To 2

2 Лю - (t -ri) 2

cos( °o- (t -ri));

(2)

Ли = a ■ T0;

где Ли - девиация частоты.

Вибрационная сейсмограмма vg(t) представляет собой сумму

автокорреляционных функций излученного сигнала:

vg(t) = 2щ ■ W(t -Tj) + n(t), (3)

i

где ai - амплитуды волн; t - времена прихода; n(t) - измерительный

шум.

Операция свертки реализуется при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ). На рис.1 представлена структурная схема традиционной обработки сигнала. Она содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блоки 2 и 5, реализующие операцию БПФ, умножитель 3 и блок 4, реализующий обратное БПФ. Частота дискретизации f является постоянной. На выходе блока 4 формируется виброграмма vg(t).

Рис.1. Структурная схема традиционной обработки вибросейсмического

сигнала

Общее время T1 формирования виброграммы vg(t) ,будет равно:

Т = Та + 2 • Х(¥) + х(х) + х(¥ 1); (4)

где ТА - время регистрации сигнала; t(F) - время выполнения БПФ; t(F1) - время выполнения ОБПФ; ^х) - время выполнения операции умножения.

НЕТРАДИЦИОННЫЙ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВИБРОГРАММЫ Нетрадиционный способ формирования виброграммы представлен на рис. 2.

Рис.2. Структурная схема нетрадиционной обработки вибросейсмического

сигнала

Рис.2 содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 4, реализующий быстрое преобразование Фурье, блок 2, формирующий сигнал f(z(t)), сумматор 3 частот f0 и f(z(t)). Частота дискретизации f (t) будет равна:

/ ч 1 dp(t) _о

fd(t) = -------------+ f ; (5)

2 ■ж dt

где f0 - опорная частота квантования времени; pit) - фазовая функция сигнала z(t).

Определим функцию p(t):

pit) = (0- 12)/2; (6)

где J3- коэффициент изменения скорости частоты.

В АЦП сигнал x(t) преобразуется, и каждый сигнал si(t), приходящий в точку приема с задержкой т, приобретает фазовую характеристику 6(t) :

6(t, Ti) = ) - p(t + Ti)) = (uo + PTi) ■ t + a ;

(7)

При выполнении условия р = а сумма узкополосных сигналов x(t) превращается в сумму монохроматических сигналов. При этом частота и каждого сигнала si(t) и время задержки Ti будут определяться в соответствии с формулой:

ui =и0 + P ■ TV Ti = (ui -и0)/p. (8)

Общее время T2 формирования виброграммы VG(u), будет равно:

T2 = Ta + t(F) * TA; (9)

где ТА - время регистрации сигнала; t(F) - время выполнения Фурье-преобразования.

Вышеизложенный подход позволяет формировать виброграммы на основе амплитудно-частотной характеристики сигнала x(t), полученной после квантования по времени с функциональным периодом дискретизации.

Рассмотренный подход позволяет увеличить скорость обработки данных. Сравнение формул (4) и (9) показывает эффективность предлагаемого подхода как более производительного. Это преимущество в полной мере реализуется в случае обработки данных в реальном времени с использованием алгоритма дискретного преобразования Фурье. В этом случае значение Т2 в формуле (9) будет равно TA.

Автор выражает благодарность участникам семинаров отдела геофизической информатики ИВМ и МГ СО РАН и руководителю гранта РФФИ № 03-05-65292 доктору Б.М. Глинскому, усилия которого создают возможность исследования «жизни» вулканов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Efimov S.A. «Modern methods of processing the numerical signals and architectural perspective information system particularities in the geophysics», Material the 6 Russian-Korean International Symposium on Science and Technology “K0RUS-2002”, 2002 At the Novosibirsk State Technical University Russia.

2. Ефимов С.А. «Метод оптимальной фильтрации зондирующих сигналов с частотной модуляцией в цифровых геофизических системах», Труды VII Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков», - Москва, Изд-во: МЭИ, 2003.- 435 с.

3. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983.-320 с.

© С.А. Ефимов, 2006